基于MCU的波形生成系统设计！

来源 | 瑞萨嵌入式小百科

引言

在嵌入式系统开发与测试中，稳定、精确的测试信号生成是一项常见且关键的需求。传统方法依赖于CPU实时计算并搬运数据，这会持续占用处理器资源，增加系统功耗，并可能影响主程序的实时性。为解决这一问题，

本文介绍一种利用瑞萨RA2L1微控制器（MCU）的DAC、DTC和AGT三个外设模块协同工作的解决方案。该方案能够以极低的CPU参与度，高效生成正弦波、三角波等多种标准波形，为需要模拟信号输出的应用提供了一种高性能、低功耗的设计范例。

核心模块

DTC（数据传输控制器）模块

DTC（Data Transfer Controller）模块根据传输信息进行数据传输，需要先在SRAM区域存储传输信息。DTC被激活时，会读取与向量号相关联的DTC向量，从DTC向量中引用的传输信息存储地址读取传输信息并进行数据传输。

传输模式包括普通传输模式（Normal transfer mode）、重复传输模式（Repeat transfer mode）和块传输模式（Block transfer mode）。DTC在DTC传送源寄存器（SAR）中指定传输源地址，在DTC传送目标寄存器（DAR）中指定传输目的地址。在数据传输后，这些寄存器的值可以独立地增减或保持不变。

AGT（低功耗异步通用定时器）模块

AGT（Low Power Asynchronous General Purpose Timer）模块是一个灵活的16位定时器，可在低功耗模式下运行。在本设计中，它被配置为周期定时模式，用于产生固定时间间隔的中断。这些中断信号作为“触发源”，定期激活DTC，从而精确控制DAC输出每个数据点的时间间隔，决定了最终输出波形的频率。

DAC（数模转换器）模块

RA2L1提供一个带输出放大器的12位数模转换器（DAC12），由AVCC0和AVSS0提供模拟电源及模拟参考电压源，输出引脚为DA0。DAC12的D/A数据寄存器0（DADR0）适用于存储数模转换数据的16位读/写寄存器，启动模拟输出后，DADR0中的数值会被转换并输出到模拟输出引脚（DA0）中。

系统设计方案

系统架构

图1.系统架构

• DAC模块：负责最终的数模转换与电压输出。

• AGT模块：作为系统的“节拍器”，产生固定周期的中断来触发数据传输。

• DTC模块：作为“数据搬运工”，在每次AGT中断时，自动将LUT中的下一个数据点送至DAC。

波形查找表

波形查找表机制

两种波形的数据都预先计算并存储在查找表（LUT）中。系统运行时，DTC模块按固定时间间隔依次读取表中数据并传输到DAC寄存器，实现波形的周期性输出。这种方式避免了实时计算，大幅降低CPU负载。

正弦波查找表

使用余弦函数计算一个完整周期（T=input_spp）的采样点数据。通过cos（2πi/input_spp）计算每个采样点的瞬时值（i=0，1，˴˴˴，input_spp-1）。由于余弦函数输出范围是[-1，1]，需要加1后乘以DAC中间值（(DAC_MID_VAL），将其映射到DAC的有效输出范围（0~4095）。采样点数越多，生成的波形越平滑。

正弦波查找表函数

左右滑动查看完整内容

voidgenerate_sin(void){ /* Calculate look up table for sin function */ for(int i=0; i< input_spp; ++i) { look_up_table[i] = (uint16_t)

三角波查找表

采用分段线性计算方式。前半周期线性递增，从0上升到最大值；后半周期线性递减，从最大值下降到0，形成对称的三角波形。计算公式基于当前采样点位置与总采样点数的比例关系，通过简单的线性插值即可得到每个点的输出值。

三角波查找表函数

软件流程

图2. 主流程

系统时序

图3.系统时序图

开发环境

表1 开发环境

RA2L1 - 48MHz Arm Cortex-M23超低功耗通用微控制器 | Renesas瑞萨电子

https://www.renesas.cn/zh/products/ra2l1?queryID=0135065201ac0d335ce3d718259fb7b4

CPK-RA2L1 - RA2L1 MCU群组中国本地评估板 | Renesas瑞萨电子

https://www.renesas.cn/zh/design-resources/boards-kits/cpk-ra2l1?queryID=7488f1b4dfae70a40b8d81382c878554

e²studio | Renesas瑞萨电子

https://www.renesas.cn/zh/software-tool/e2-studio?queryID=c68ed897f8fb82511bedafe733272066

RA可扩展性强的配置软件包（FSP） | Renesas瑞萨电子

https://www.renesas.cn/zh/software-tool/ra-flexible-software-package-fsp?queryID=a5545772de53314f3a65441b56a71922

硬件配置

图4.硬件配置示例

参考例程

为便于读者快速上手，本文提供了一个完整的波形生成参考例程。该例程实现了正弦波和三角波的生成与切换功能，读者可以在此基础上进行测试、二次开发和功能扩展。

dac_cpkcor_ra2l1_ep.zip

https://e.gitee.com/recn-mcu-ae/repos/recn-mcu-ae/dac_cpkcor_ra2l1_ep/sources

gitee下载链接

https://e.gitee.com/recn-mcu-ae/repos/recn-mcu-ae/dac_cpkcor_ra2l1_ep/sources

例程操作说明

硬件准备

参考例程使用的是瑞萨中国本地推广板CPK-RA2L1 MCU评估板（LQFP64），如图5所示。开发板调试接口为J11，波形输出端口（P014）从J2连接器的Pin 21引出（见图5中红框）。

图5.CPK-RA2L1 MCU评估板（LQFP64）

工程配置

由于例程中使用的开发板为CPK开发板，因此在首次使用时需要导入BSP文件，导入方法见《向FSP中添加CPK评估板的BSP》。导入BSP文件后可选择CPK-RA2L1评估版，请确认configuration.xml中的BSP信息与图6一致。

向FSP中添加CPK评估板的BSP

https://www.renesas.cn/zh/document/gde/fsp-cpk-bsp?r=1596841

图6.参考例程中BSP信息

编译与烧录：

确认BSP信息无误后即可对工程进行编译，烧录到开发板中并运行程序。

交互控制

打开J-Link RTT Viewer，选择USB连接方式，将“Specify Target Device”设定为“R7FA2L1AB”，“RTT Control Block”选择为“Auto Detection”，点击“OK”后即可连接到开发板。

图7.J-Link RTT Viewer配置信息

成功连接到开发板后可看到如图8的工程信息，包括工程版本、FSP版本、例程说明等等。

图8.J-Link RTT Viewer工程信息显示

如图9所示，用户需要对J-Link RTT Viewer中发送数据的方式进行以下设置。

图9.J-Link RTT Viewer输入设置

参照图8中的提示，用户输入“0”可以选择生成正弦波，输入“1”可以选择生成三角波，首先输入“0”选择正弦波输出，如图10所示。

图10.选择正弦波输出

根据图10中的信息，下一步需要输入期望采样点数，注意输入值需要在2到256之间。

图11.输入期望采样点数

最后需要输入期望输出波形频率，注意波形频率的最大值已根据期望采样点数计算得出，因此输入的期望频率需要小于最大波形频率。

图12.输入期望频率

波形观测

图13为输入“0”后生成采样点为256，频率为100Hz的正弦波输出结果。

图13.正弦波输出结果

图14为输入“1”后生成采样点为256，频率为100Hz的三角波输出结果。

图14.三角波输出结果

代码说明

常量一览

例程中所用常量见表2。

表2 常量说明

变量一览

例程中所用变量见表3。

表3 变量说明

函数一览

例程中所用函数见表4。

表4 函数说明

结语

本文详细阐述了基于RA2L1 MCU的硬件协同波形生成方案。通过巧妙运用AGT定时触发、DTC自动搬运、DAC转换输出三者形成的“硬件流水线”，成功将CPU从频繁的数据搬运任务中解放出来，实现了极低的处理器占用与功耗。预存波形查找表的方法不仅保证了高精度输出，也预留了强大的扩展能力，可轻松支持方波、锯齿波或任意自定义波形。

该设计理念突出了利用MCU丰富外设实现功能卸载、优化系统效率的嵌入式设计思想。读者可基于提供的参考例程，快速进行原型验证，并灵活调整采样率、输出频率及波形种类，以满足各类嵌入式应用中对模拟信号生成的需求。

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